吳漢明院士世界半導(dǎo)體大會演講：詳解后摩爾時代，芯片制造三大挑戰(zhàn)

作者 |  心緣
編輯 |  漠影
芯東西6月9日報道，今日，2021世界半導(dǎo)體大會暨南京國際半導(dǎo)體博覽會正式開幕。在上午的高峰論壇上，中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳漢明著重分享了后摩爾時代的芯片挑戰(zhàn)與機遇。吳漢明院士曾任中芯國際技術(shù)研發(fā)副總裁，長期工作在我國集成電路芯片產(chǎn)業(yè)并做出突出貢獻。在演講期間，他完整回顧半導(dǎo)體行業(yè)如何從摩爾定律時代跨入后摩爾時代，分享了芯片制造存在哪些挑戰(zhàn)、后摩爾時代帶來的機遇、全球化受阻的影響和發(fā)展方向等話題，并專門討論面向后摩爾時代集成電路潛在顛覆性技術(shù)。其總體討論內(nèi)容如下：

回顧摩爾定律發(fā)展，全球化不可替代

什么是摩爾定律？1965年，英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾提出，在價格不變時，集成電路上的晶體管密度每年加倍，性能也提升一倍。做了十年后，他發(fā)現(xiàn)不行，賺來的錢不夠支撐研發(fā)，到1975年改口說單位面積芯片上的晶體管數(shù)量每兩年增加一倍。這一提法持續(xù)了近50年。

上世紀(jì)70年代，1個晶體管價值達1美元，現(xiàn)在1美元能買幾百萬個晶體管，也就是說，當(dāng)今每個晶體管價格僅有當(dāng)初的百萬分之一。從2G時代的130nm發(fā)展到14nm、5nm，摩爾定律發(fā)展支撐了通信技術(shù)、AI發(fā)展。

如圖，到2015年，下面4條特征線接近瓶頸，難以繼續(xù)提升，唯有晶體管密度繼續(xù)沿著摩爾定律向上發(fā)展。但在2014年左右，大概28nm時，100萬晶體管的價格為2.7美分，到20nm，這一價格增至2.9美分，單個晶體管價錢在往上漲，這就違背了摩爾定律的初衷——價格不變。我國專家許居衍院士曾在1992年的中國電子學(xué)會第五次學(xué)術(shù)年會文集中預(yù)測，摩爾定律2014-2017年失效，但硅基生命還很長。

吳漢明院士認(rèn)為，我國集成電路產(chǎn)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是產(chǎn)業(yè)鏈太長、太寬，例如我國在裝備領(lǐng)域，光刻機尚需攻關(guān)，在多個關(guān)鍵材料方面仍依賴進口。

每年半導(dǎo)體在全球流通達1萬7千億美元，這種流通使得集成電路能沿著摩爾定律發(fā)展到如今欣欣向榮的狀態(tài)。

從集成電路產(chǎn)業(yè)鏈整體分布來看，IP EDA基本被美國壟斷；而中國大陸在多個細(xì)分產(chǎn)業(yè)占比較小。美國曾做一個評估，如果美國要建立一個完全自主可控產(chǎn)業(yè)鏈，成本約達9000億~12000億美元，將導(dǎo)致漲價35%~65%。

從具體的芯片制造裝備來看，ASML占據(jù)了光刻裝備大頭，我國廠商的刻蝕、清洗等裝備已經(jīng)進入芯片制造大生產(chǎn)線，但這些裝備目前還沒進入非常高端的生產(chǎn)線應(yīng)用。

芯片制造的三大核心挑戰(zhàn)

吳漢明院士總結(jié)了芯片制造工藝的三大挑戰(zhàn)：

1、基礎(chǔ)挑戰(zhàn)：精密圖形。現(xiàn)在主要先進工藝193nm波長的光源能曝光出20-30nm的圖形，如果還記得中學(xué)光學(xué)基本知識，當(dāng)波長遠(yuǎn)大于物理尺寸，分辨率會非常模糊。2、核心挑戰(zhàn)：新材料、新工藝。有64種新材料支撐了摩爾定律的發(fā)展，技術(shù)往前走，如果沒有新材料，性能也上不來。如圖可以看到，新材料支撐著性能的提升。3、終極挑戰(zhàn)：提升良率。這是所有芯片企業(yè)最艱難、頭疼的挑戰(zhàn)，工藝流程中會累積大量統(tǒng)計誤差，如果良率提升上不來，不算成功。從技術(shù)趨勢來看，后摩爾時代需要產(chǎn)業(yè)三驅(qū)動、技術(shù)八內(nèi)容、PPAC四目標(biāo)。

后摩爾時代技術(shù)發(fā)展趨緩，追趕者機會大

在吳漢明院士看來，隨著摩爾定律發(fā)展速度慢下來，這給了追趕者機會。

許居衍院士曾提出后摩爾時代有4類技術(shù)方向：（1）主流方向是硅基馮諾依曼架構(gòu)，其瓶頸是功耗和速度的平衡問題；（2）類硅模式是延續(xù)摩爾定律的主要技術(shù)；（3）最近類腦模式也很熱門，有產(chǎn)業(yè)前景；（4）新興范式是非常前沿的未來集成電路發(fā)展方向，屬于基礎(chǔ)研究范疇，最近5-10年可能看不到產(chǎn)業(yè)化進展。

從制程節(jié)點分布來看，10nm節(jié)點以下先進產(chǎn)能17%，83%的市場集中在10nm以上節(jié)點，成熟制程等市場發(fā)展有巨大市場和創(chuàng)新空間，需要高度重視。臺積電的一些成熟制程占比也在增長。設(shè)計公司最關(guān)心系統(tǒng)性能，吳漢明院士也看到了國內(nèi)公司的一些成果。

比如國內(nèi)創(chuàng)企芯盟采用40nm工藝做出高性能異構(gòu)集成單芯片，再比如紫光國芯SeDRAM采用直接鍵合異質(zhì)集成工藝，每Gbit帶寬高達34GB/s、能效達0.88pJ/bit。

商業(yè)成功是檢驗技術(shù)創(chuàng)新的唯一標(biāo)準(zhǔn)

其實我們集成電路在上世紀(jì)50年代并不落后，產(chǎn)能領(lǐng)先日本兩年、落后美國六年，但到1996年，我們已經(jīng)落后日本20年。產(chǎn)能提升刻不容緩。

吳漢明院士對芯片過熱的說法提出質(zhì)疑。他認(rèn)為，過熱原因是忽悠的人多，認(rèn)真做芯片的人太少，他援引芯謀研究顧文軍的數(shù)據(jù)，按這樣節(jié)奏發(fā)展下去，制造GAP將有8個中芯國際的產(chǎn)能。

隨后，他引用了《中國科學(xué)報》關(guān)于樹立產(chǎn)業(yè)技術(shù)導(dǎo)向的科技文化的內(nèi)容。1、產(chǎn)業(yè)技術(shù)不是科研機構(gòu)轉(zhuǎn)化后的應(yīng)用開發(fā)，而是引導(dǎo)科研的原始動力。2、目標(biāo)導(dǎo)向的研究不看什么新成果，而是看產(chǎn)業(yè)技術(shù)有什么需求。3、實驗室技術(shù)是單點突破，但產(chǎn)業(yè)需要面的突破，不能有明顯短板，要考慮綜合因素。實驗室技術(shù)也許能解決90%的要求，但余下10%可能要再花10倍的精力。4、堅持全球化技術(shù)發(fā)展路線，理念上要做重大調(diào)整，認(rèn)可提倡企業(yè)創(chuàng)新命運共同體。在吳漢明院士看來，要努力建設(shè)產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)的科技文化，商業(yè)成功是檢驗技術(shù)創(chuàng)新的唯一標(biāo)準(zhǔn)。吳漢明院士還分享了技術(shù)研發(fā)三步曲。

最后，吳漢明院士也順帶提及浙江大學(xué)正在打造的12英寸成套工藝研發(fā)平臺。他希望加速舉國體制下的公共技術(shù)研發(fā)平臺建設(shè)。

結(jié)語：更多進展敬請期待

當(dāng)前全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進入調(diào)整期，風(fēng)險與機遇并行。包括吳漢明院士在內(nèi)，一眾國內(nèi)外產(chǎn)學(xué)界專家分別圍繞集成電路設(shè)計、制造、軟件、封測、材料等不同環(huán)節(jié)，分享前沿的產(chǎn)業(yè)及技術(shù)見解。除了舉行論壇外，大會同期還舉辦專業(yè)博覽會，規(guī)模達18000平米，比去年增加50%，更是匯集了臺積電、中芯國際等芯片制造公司，新思科技、芯華章等EDA軟件公司，瀾起科技、大魚半導(dǎo)體等芯片設(shè)計公司，日月光、長電科技等半導(dǎo)體封測公司，中微半導(dǎo)體等設(shè)備公司，長晶科技等半導(dǎo)體器件公司，安集微電子、泉州三安等半導(dǎo)體材料公司在內(nèi)的300余家展商。同時，上海、廣東、陜西、泉州、珠海、淄博、天津等省市還將組團參展，全產(chǎn)業(yè)鏈展示國內(nèi)外半導(dǎo)體領(lǐng)域的科技創(chuàng)新技術(shù)與應(yīng)用成果。接下來，芯東西將在世界半導(dǎo)體大會期間發(fā)來更多報道。